Descoberta conexão surpreendente entre fenômenos quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/11/2010

"Se quebrarmos o princípio da incerteza, não podemos imaginar como o nosso mundo seria."
[Imagem: Bulczynski/Wikimedia]

Conexões quânticas

Dois pesquisadores descobriram uma conexão inesperada e surpreendente entre as duas propriedades fundamentais da física quântica.

O resultado está sendo anunciado como um avanço radical no entendimento da mecânica quântica, dando novas pistas para os cientistas que procuram compreender os fundamentos do funcionamento do mundo em escala atômica.

Stephanie Wehner, da Universidade Nacional de Cingapura, e Jonathan Oppenheim, da Universidade de Cambridge, descobriram uma ligação entre a chamada "ação fantasmagórica à distância" e o Princípio da Incerteza de Heisenberg.

O comportamento absolutamente estranho das partículas quânticas - como átomos, elétrons e fótons - tem intrigado os cientistas há quase um século. Albert Einstein foi um dos que acharam que o mundo quântico era tão estranho que a teoria quântica devia estar errada.

Mas a realidade mostrou o contrário, e experimento após experimento têm confirmado as previsões da teoria.

Fantasmas e incerteza

Um dos aspectos mais estranhos da teoria quântica é que é impossível saber certas coisas simultaneamente, como o momento e a posição de uma partícula - conhecer uma dessas propriedades afeta a precisão com que você pode conhecer a outra.

Isto é conhecido como o Princípio da Incerteza de Heisenberg, em homenagem ao físico alemão Werner Heisenberg, que o enunciou nos anos 1920.

Outro aspecto estranho é o fenômeno da não-localidade, que se mostra no bem conhecido entrelaçamento quântico.

Quando duas partículas ficam entrelaçadas, elas se comportam como se estivessem coordenadas entre si, como se estivessem "trocando informações" à distância, de uma forma totalmente estranha à intuição clássica sobre partículas fisicamente separadas.

Até agora, os pesquisadores vinham tratando a não-localidade e a incerteza como dois fenômenos distintos.

Mas Wehner e Oppenheim mostraram que eles estão intrinsecamente ligados.

Mais do que isso, eles demonstraram que esta ligação é quantitativa, e elaboraram uma equação que mostra que a "quantidade" de não-localidade é determinada pelo princípio da incerteza.

"É uma reviravolta surpreendente e talvez irônica", disse Oppenheim. Einstein e seus colaboradores descobriram a não-localidade quando procuravam uma maneira de se livrar do princípio da incerteza. "Agora o princípio da incerteza parece estar dando o troco."

Em 2007, cientistas realizaram um experimento que demonstrou a que os átomos assombrados de Einstein eram reais, o que representou um avanço para a computação quântica.
[Imagem: UMichigan]

Não-localidade

A não-localidade determina como duas partículas distantes podem coordenar suas ações sem trocar informações.

Os físicos acreditam que, mesmo na mecânica quântica, a informação não pode viajar mais rápido do que a luz.

Acontece que a mecânica quântica permite que duas partículas se coordenem muito melhor do que seria possível se elas obedecessem às leis da física clássica.

Na verdade, as ações das partículas entrelaçadas são de tal maneira coordenadas que parece que uma é capaz de falar com a outra. Foi por isto que Einstein chamou esse fenômeno de "ação fantasmagórica à distância".

E isso não é tudo. Os fantasmas podem ser ainda mais assustadores, porque é possível ter teorias que permitem que partículas separadas e distantes umas das outras coordenem suas ações muito melhor do que a natureza permite - e sem depender de que a informação viaje mais rápido do que a luz.

Limite da esquisitice

O que os dois pesquisadores agora descobriram é que parece haver um limite para essas esquisitices da teoria quântica.

"A teoria quântica é mesmo muito estranha, mas não é tão estranha quanto poderia ser. Nós realmente temos que nos perguntar, o que limita a mecânica quântica? Por que a natureza não permite uma não-localidade ainda mais forte?" pondera Oppenheim.

A resposta que ele e Wehner encontraram está justamente no princípio da incerteza.

Duas partículas só podem coordenar suas ações de forma mais eficiente se quebrarem o princípio da incerteza, que na verdade impõe um limite estrito à intensidade da não-localidade.

"Seria ótimo se pudéssemos coordenar melhor nossas ações a longas distâncias, o que nos permitiria resolver muitas tarefas no processamento de informações de forma muito eficiente," diz Wehner. "No entanto, a física deveria ser fundamentalmente diferente. Se quebrarmos o princípio da incerteza, não podemos imaginar como o nosso mundo seria."

Vendo as coisas de outro modo

E como eles descobriram uma ligação que passou despercebida por tanto tempo?

Wehner começou sua carreira como "hacker de computador", fazendo "serviços sob encomenda". Agora ela trabalha com teoria da informação quântica. Já Oppenheim é físico.

Wehner acredita que a aplicação das técnicas da ciência da computação às leis da física teórica foi fundamental para detectar a conexão.

"Eu acho que uma das idéias fundamentais foi vincular a questão a um problema de programação," diz Wehner. "As formas tradicionais de ver a não-localidade e a incerteza obscureciam a estreita ligação entre os dois conceitos."

O comportamento absolutamente estranho das partículas quânticas - como átomos, elétrons e fótons - tem intrigado os cientistas há quase um século.
[Imagem: Adaptado de Chanchicto/Wikimedia]

Jogo de tabuleiro quântico

Imagine um jogo de tabuleiro quântico, jogado por dois parceiros, Alice e Bob. O tabuleiro tem apenas dois quadrados, nos quais Alice pode colocar um contador de duas cores possíveis: verde ou rosa. Ela foi instruída a colocar a mesma cor nos dois quadrados, ou colocar uma cor diferente em cada quadrado.

Bob tem que adivinhar a cor que Alice colocar no primeiro ou no segundo quadrado. Se o seu palpite estiver correto, Alice e Bob ganham o jogo.

Dessa forma, Alice e Bob vão sempre ganhar o jogo se puderem falar um com o outro: Alice simplesmente diz a Bob quais cores estão nas casas um e dois.

Mas Bob e Alice estão situados tão distantes um do outro que a luz - portanto, qualquer sinal de transmissão de dados - não tem tempo para trafegar entre eles durante o jogo.

Se eles não podem se falar, não vão ganhar sempre.

Mas, através da medição das partículas quânticas, eles poderão ganhar o jogo mais vezes do que qualquer estratégia que não dependa da teoria quântica.

No entanto, o princípio de incerteza os impede de se sair melhor do que isso, e ainda determina a frequência com que eles vão perder o jogo.

Princípio da física quântica

A descoberta traz de volta a questão mais profunda de quais princípios estão subjacentes à física quântica.

Várias tentativas de compreender os fundamentos da mecânica quântica têm-se centrado na não-localidade.

Wehner acredita que pode ser mais interessante examinar os detalhes do princípio da incerteza. "Entretanto, nós mal arranhamos a superfície do entendimento das relações de incerteza", diz ela.

Segundo os pesquisadores, sua descoberta é "à prova de futuro" e se aplica a todas as teorias que buscam encontrar uma teoria quântica da gravidade.

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